基于Multisim8的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、 電子線路課程設(shè)計(jì)(報(bào)告題目基于Multisim8的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與開發(fā)系別物理與電子工程學(xué)院專業(yè)電子與信息工程班級電信092 學(xué)號160409214學(xué)生姓名顧海峰指導(dǎo)教師盧怡日期2012/11/12012/12/20目錄一題目要求與方案論證 (21.1(設(shè)計(jì)題題目數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) (21.1.1題目要求 (21.1.2 方案論證 (2二電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) (42.1晶體振蕩電路設(shè)計(jì) (4三總結(jié)與體會(huì) (15參考文獻(xiàn)(撰寫格式如下 (16附錄1 (17附錄2 (17一題目要求與方案論證1.1(設(shè)計(jì)題題目數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)頻率計(jì)是用來測量正弦信號、矩形信號、三角形信號等波形工作頻率的儀器,根據(jù)頻

2、率的概念是單位時(shí)間里脈沖的個(gè)數(shù),要測被測波形的頻率,則須測被測波形中1S里有多少個(gè)脈沖,所以,如果用一個(gè)定時(shí)時(shí)間1S控制一個(gè)閘門電路,在時(shí)間1S內(nèi)閘門打開,讓被測信號通過而進(jìn)入計(jì)數(shù)譯碼器電路,即可得到被測信號的頻率fx。任務(wù)要求分析:頻率計(jì)的測量范圍要求為10Hz100KHz,且精度為10Hz,所以有用4片10進(jìn)制的計(jì)數(shù)器構(gòu)成1000進(jìn)制對輸入的被測脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù);要求輸入信號的幅值為20mV5V,所以要經(jīng)過衰減與放大電路進(jìn)行檢查被測脈沖的幅值;由于被測的波形是各種不同的波,而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測的信號必須是矩形波,所以還需要波形整形電路;頻率計(jì)的輸出顯示要經(jīng)過鎖存器進(jìn)行穩(wěn)定再通過5位L

3、ED數(shù)碼管進(jìn)行顯示.1.1.1題目要求1 數(shù)字顯示功能:用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示測量信號的頻率。2 測量范圍為10HZ100kHZ。3檢測精度不低于1%。1.1.2 方案論證本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)由四部分組成:振蕩電路、閘門電路、邏輯控制電路以及可控制的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路。由石英晶體多諧振蕩電路,分級分頻系統(tǒng)及門控制電路得到具有固定寬度T的方波脈沖做門控制信號,時(shí)間基準(zhǔn)T稱為閘門時(shí)間.寬度為T的方波脈沖控制閘門的一個(gè)輸入端B.被測信號頻率為fx,周期Tx.到閘門另一輸入端A.當(dāng)門控制電路的信號到來后,閘門開啟,周期為Tx的信號脈沖和周期為T的門控制信號結(jié)束時(shí)過閘門,于輸出端C 產(chǎn)生脈沖信號到計(jì)數(shù)器,

4、計(jì)數(shù)器開始工作,直到門控信號結(jié)束,閘門關(guān)閉.單穩(wěn)1的暫態(tài)送入鎖存器的使能端,鎖存器將計(jì)數(shù)結(jié)果鎖存,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并被單穩(wěn)2暫態(tài)清零. (簡單地說就是:在時(shí)基電路脈沖的上升沿到來時(shí)閘門開啟,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),在同一脈沖的下降沿到來時(shí),閘門關(guān)閉,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù).同時(shí),鎖存器產(chǎn)生一個(gè)鎖存信號輸送到鎖存器的使能端將結(jié)果鎖存,并把鎖存結(jié)果輸送到譯碼器來控制七段顯示器,這樣就可以得到被測信號的數(shù)字顯示的頻率.而在鎖存信號的下降沿到來時(shí)邏輯控制電路產(chǎn)生一個(gè)清零信號將計(jì)數(shù)器清零,為下一次測量做準(zhǔn)備,實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)使用,避免兩次測量結(jié)果相加使結(jié)果產(chǎn)生錯(cuò)誤. 若T=1s,計(jì)數(shù)器顯示fx=N(T時(shí)間內(nèi)的通過閘門信號脈沖

5、個(gè)數(shù) 若T=10s,通過閘門脈沖個(gè)數(shù)位N時(shí),fx=10N,(閘門時(shí)間為0.1s時(shí)通過閘門的脈沖個(gè)數(shù).也就是說,被測信號的頻率計(jì)算公式是fx=N/T.由此可見,閘門時(shí)間決定量程,可以通過閘門時(shí)基選擇開關(guān),選擇T大一些,測量準(zhǔn)確度就高一些,T小一些,則測量準(zhǔn)確度就低.根據(jù)被測頻率選擇閘門時(shí)間來控制量程.被測信號頻率通過計(jì)數(shù)鎖存可直接從計(jì)數(shù)顯示器上讀出.在整個(gè)電路中,時(shí)基電路是關(guān)鍵,閘門信號脈沖寬度是否精確直接決定了測量結(jié)果是否精確.因此,可得出數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖如下:圖1 數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖二 電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1晶體振蕩電路設(shè)計(jì)石英晶體多諧振蕩器(晶蕩電路的作用是產(chǎn)生穩(wěn)定的工作時(shí)鐘信號,

6、經(jīng)過分頻,控制電路,以產(chǎn)生測頻所需要的各種控制信號。為保證檢測頻率的準(zhǔn)確性,工作時(shí)鐘的穩(wěn)定,準(zhǔn)確至關(guān)重要,所以在實(shí)際系統(tǒng)中,均采用晶體振蕩電路。晶振電路可以在任意多諧振蕩電路中接入石英晶體來構(gòu)成,其振蕩頻率即取決于石英晶體的固有諧振頻率,而且非常穩(wěn)定。石英晶體多諧振蕩電路如下所示,為了分頻鎖存器計(jì)數(shù)器閘門電路脈沖形成電路時(shí)基電路譯碼顯示邏輯控制f方便獲得1Hz和0.5Hz的門控信號和控制信號,這里選用32.768kHz的晶體振蕩器,選用4060芯片進(jìn)行分頻即可得到2Hz的基準(zhǔn)信號。再用JK觸發(fā)器進(jìn)行四分頻即可獲得0.5Hz的頻率信號。雖然晶振電路不需要信號源,但由于仿真軟件是;理想的電磁環(huán)境,

7、器件本身接受不到干擾,因此不能起振,所以在仿真時(shí)必須在電路旁邊放置一個(gè)信號源方能起振。 2-1 石英晶體多諧振蕩電路分頻電路可以由計(jì)數(shù)器構(gòu)成,選用4060芯片進(jìn)行142分頻即可得到2Hz的基準(zhǔn)信號,再經(jīng)四分頻即可得到0.5Hz的頻率信號?；蛘哌x用4片4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74161串接成16位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器,直接得到0.5Hz的頻率信號。這里用74161構(gòu)成分頻電路。 2-2 分頻電路分頻電路的封裝模塊輸入端CLK接晶振電路輸出,EN為運(yùn)行控制輸入,高電平有效;3個(gè)輸出端分別為基準(zhǔn)信號2Hz、1Hz、0.5Hz輸出。 2-3 分頻電路封裝模塊需要說明的是,該仿真軟件對于石英晶體建立的模型也不完善,所以

8、該晶振電路在振蕩時(shí)從虛擬示波器上看到的多諧振蕩波形頻率并不僅僅由石英晶體決定,而且似乎也不是十分穩(wěn)定。這是由于軟件模型不完善造成的,而實(shí)際的石英晶體多諧振蕩器頻率非常穩(wěn)定,而且振蕩頻率僅有石英晶體決定。為了仿真方便,在分頻電路中采用頻率為32.768kHz的信號源提供晶振輸出信號進(jìn)行分頻。2.2脈沖整形電路設(shè)計(jì)待測信號可以是正弦波、方波、三角波、脈沖波等,且幅值不一。脈沖整形電路的作用是將待測信號整形為統(tǒng)一幅值的脈沖波形,以便于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。放大整形電路如圖所示: 2-4 信號脈沖整形電路原理圖當(dāng)信號幅度很小時(shí),可調(diào)整電位器R1來調(diào)整放大倍數(shù),經(jīng)比較器輸出,得到和輸入信號同頻率的+5V脈沖波,作

9、為后級計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖波。當(dāng)待測信號為幅值是10mV的正弦信號時(shí),整形后的輸出波形如圖所示。2-5 整形前后的信號波形封裝模塊如圖所示: 2-6 信號脈沖整形電路封裝模塊2.3控制電路設(shè)計(jì)控制電路是數(shù)字頻率計(jì)正常工作的中樞部分。控制電路包括計(jì)數(shù)器清零信號1、鎖存信號發(fā)生電路、檢測控制門電路和高低頻切換電路等其關(guān)鍵任務(wù)是在檢測門控信號到來前及時(shí)產(chǎn)生計(jì)數(shù)器清零信號,在門控信號結(jié)束時(shí)立即產(chǎn)生鎖存信號。在較高頻率時(shí)(如高于1kHz可以選用1s的技術(shù)脈寬門控信號(0.5Hz,而在低頻時(shí)(如低于1kHz,可選用10s的計(jì)數(shù)脈寬門控信號。為了在低頻時(shí)10s計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)顯示器能不閃爍的顯示數(shù)據(jù),須設(shè)置數(shù)據(jù)鎖存器

10、。因此鎖存器的鎖存信號應(yīng)在下一次顯示數(shù)據(jù)到來之前一直有效。3.1 1s的計(jì)數(shù)門控電路設(shè)計(jì)在晶體振蕩電路中,分頻后分別得到高頻段基準(zhǔn)信號0.5Hz 1Hz 2Hz(用74LS161D計(jì)數(shù)器分頻時(shí),為下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn),如圖2-7所示為基準(zhǔn)信號0.5Hz 1Hz 2Hz和清零鎖存信號的時(shí)序關(guān)系,清零和鎖存信號可通過這3個(gè)基準(zhǔn)信號的邏輯組合得到。 2-7 控制信號電路封裝模塊如圖所示: 2-8 控制電路信號封裝模塊其中,3個(gè)基準(zhǔn)頻率信號輸入端2Hz 1Hz 0.5Hz分別接分頻電路X1相應(yīng)頻率輸出端;3個(gè)輸出控制信號Es1 Rj1 Ej1分別為高頻段測頻時(shí)鎖存器鎖存信號計(jì)數(shù)器清零信號和計(jì)數(shù)器鎖存信號,輸

11、出低電平有效。3.2 10s的技術(shù)門控信號下清零信號和鎖存信號的產(chǎn)生在信號頻率低于1kHz時(shí),為保證測量精度,選用10s的計(jì)數(shù)門控信號。10s的計(jì)數(shù)脈寬門控信號可由1Hz方波信號經(jīng)十一進(jìn)制計(jì)數(shù)器技術(shù)產(chǎn)生,十一進(jìn)制計(jì)數(shù)器可由十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74161改造而成,如圖10-57所示。其中,在十六進(jìn)制的16個(gè)狀態(tài)中通過特征譯碼識別狀態(tài)1001產(chǎn)生同步置數(shù)信號LOAD,將計(jì)數(shù)器置為1111.同時(shí)以進(jìn)位信號RCO的反變量作為10s脈寬計(jì)數(shù)門控信號輸出。1kHz信號計(jì)數(shù)器QD 進(jìn)位RCO信號(10s脈寬計(jì)數(shù)門控信號及同步置數(shù)信號LOAD時(shí)序圖如圖所示。 2-9 10s脈寬門控信號產(chǎn)生電路根據(jù)如圖10-58所示

12、的時(shí)序圖可設(shè)計(jì)10s脈寬計(jì)數(shù)門控信號的計(jì)數(shù)器清零。 2-10 10s脈寬門控及控制信號時(shí)序圖因此,10s脈寬計(jì)數(shù)門控信號及控制信號電路如圖2-9所示,10s脈寬門控及控制信號時(shí)序圖如圖2-10所示。封裝模塊如圖2-11所示: 2-11 10s脈寬門控及控制信號電路封裝模塊其中,端子EN為運(yùn)行控制輸入,高電平有效;1Hz為基準(zhǔn)信號輸入,接分頻電路X1的1Hz為基準(zhǔn)信號輸出;4個(gè)輸出端為:10s為低頻段測頻的10秒門控信號輸出,高電平有效;Ej2 Rj2 Es2分別為低頻段測頻時(shí)的計(jì)數(shù)器鎖存信號計(jì)數(shù)器清零信號和鎖存器鎖存信號,輸出均為低電平有效。2.4計(jì)數(shù)鎖存電路設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)位數(shù)取決于頻率計(jì)的

13、頻率檢測范圍。該頻率計(jì)設(shè)計(jì)要求檢測范圍為10Hz100kHz,實(shí)際上顯示的頻率范圍為1Hz100KHz,只是在10Hz100kHz范圍內(nèi)檢測精度可達(dá)1%,當(dāng)信號頻率小于10Hz時(shí),檢測精度達(dá)不到1%,所以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為1100000,因此計(jì)數(shù)器采用5個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器(74LS160串聯(lián)構(gòu)成100000以內(nèi)的計(jì)數(shù)器。數(shù)據(jù)鎖存器采用3個(gè)8為鎖存器74LS377.顯示譯碼器可采用Multisim仿真軟件提供的譯碼顯示一體化器件BCD-HEX。計(jì)數(shù)鎖存電路如圖所示 2-12 計(jì)數(shù)鎖存電路其封裝模塊如圖2-13所示: 2-13 計(jì)數(shù)鎖存電路封裝模塊如圖2-13所示,CPin為整形并通過門控信號輸出的計(jì)

14、數(shù)脈沖輸入信號;另外3個(gè)輸入端RjEj Es分別為計(jì)數(shù)器清零信號計(jì)數(shù)器鎖存信號和鎖存器鎖存信號,均為低電平有效;其余為5位十進(jìn)制頻率值的BCD碼數(shù)據(jù)輸出信號。2.5測試頻率選擇控制電路設(shè)計(jì)為了保證在測量范圍內(nèi)的測量精度,在10Hz100KHz的測量范圍內(nèi)分為10Hz1kHz的低頻段和1k100kH高頻段兩個(gè)檔位選擇,分別用10s測量門控信號和1s測量門控信號,通過一個(gè)選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn)選擇。實(shí)際上是通過一個(gè)二選一選擇器電路實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)用通用TTL與門和或門電路來實(shí)現(xiàn),如圖2-14所示。開關(guān)S切換到上觸點(diǎn)(高電平,電路選擇I01輸出,當(dāng)開關(guān)S切換到下觸點(diǎn)(低電平,電路選擇I02輸出,Y03為輸出端。

15、電路如圖所示: 2-14 選擇開關(guān)電路原理圖外形封裝模塊如圖所示: 2-15 選擇開關(guān)的封裝模塊在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,測量頻率分為高低頻兩段,每段頻率的測量需要4個(gè)控制信號:門控信號1s和10s;計(jì)數(shù)清零信號Rj1 Rj2;技術(shù)鎖存信號Ej1 Ej2;鎖存器鎖存信號Es1 Es2。因此需要4個(gè)二選一選擇開關(guān)。用如圖2-14所示電路(4個(gè)同樣的電路組合后可構(gòu)成4路二選一選擇開關(guān),2.6總裝電路設(shè)計(jì)與仿真總體電路設(shè)計(jì)是將脈沖整形電路控制電路計(jì)數(shù)鎖存電路頻率選擇控制電路等電路以封裝模塊的形式連接在一起,外接數(shù)碼管組成數(shù)字頻率計(jì)總體電路。數(shù)字頻率總體電路如圖10-66所示。由于仿真軟件中晶振電路的輸出頻率

16、不穩(wěn)定,為了仿真方便,因此圖常熟理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（報(bào)告） 中沒有將晶振電路集成進(jìn)來，而是用一個(gè)固定頻率的方波信號源代替晶振電 路提供晶振電路提供的基準(zhǔn)脈沖源；輸入待測頻率信號由 V4 信號源提供，選 擇高低頻率段測量脈寬由開關(guān) S 來選擇。當(dāng)開關(guān) S 切換到上觸點(diǎn)（高頻）時(shí)， 選擇脈寬信號作為測量門控信號，當(dāng)開關(guān)切換到下觸點(diǎn)（低頻）時(shí)， 選擇脈寬信號作為測量門控信號，以保證在整個(gè)頻率測量范圍內(nèi)（ ）測量精度不低于；為使控制電路正常工作，設(shè) 計(jì)時(shí)增加一個(gè)功能控制開關(guān)，當(dāng)閉合（接高電平）時(shí)，系統(tǒng)可 以正常工作，當(dāng)斷開（接低電平）時(shí)，系統(tǒng)不能正常工作。 2-16 數(shù)字頻率計(jì)總體電路 三 總結(jié)與體會(huì)

17、這段時(shí)間的課程設(shè)計(jì)經(jīng)歷了磕磕絆絆，總的來說還是完成了實(shí)驗(yàn)的要求。 最后將實(shí)驗(yàn)的要求基本上全面實(shí)現(xiàn)了，當(dāng)然有的地方與實(shí)驗(yàn)的要求還是有一 定的差別的，主要是由于自己對知識掌握的不是太過全面，對軟件不夠熟悉， 15 常熟理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（報(bào)告） 用的較少，但還是令人比較滿意的。 通過這次的課程設(shè)計(jì)，遇到的困難讓我從中收獲了很多，對一些有關(guān)實(shí)驗(yàn) 的軟件有了一個(gè)更加深入的了解，操作也比較熟練了很多。對于知識的掌握 也有了一個(gè)大的提升，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識與實(shí)際更好的結(jié)合起來，加強(qiáng)了自 己獨(dú)立思考設(shè)計(jì)的能力，同時(shí)也了解到團(tuán)隊(duì)合作的重要性。有時(shí)候有些事不 是一個(gè)人就能解決的，實(shí)驗(yàn)過程中對一些元器件的查找單靠一個(gè)

18、人的話，力 量是有限的，只有大家通力合作才能更好的解決問題。 這個(gè)題目的設(shè)計(jì)花了自己不少心血，有時(shí)甚至一整天在弄，但是當(dāng)自己成功 地設(shè)計(jì)出電路時(shí)所獲得的那一份成就感是無法表達(dá)的，所以整個(gè)電路的設(shè)計(jì) 過程充滿著苦惱與樂趣。 顧海峰 2012/11/10 參考文獻(xiàn)（撰寫格式如下） 【1】電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分） 【2】電子報(bào) 周友誼 康華光 高等教育出版社 電子科技大學(xué)出版社 馬慈偉 云南民族大學(xué)物理與電子電氣信息工程學(xué)院 于亞萍 河南理工大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心 【3】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 【4】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 【5】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 郭三明 雷乃清 閻石 北京：高等教育出版社，1998.348-352. 16 常熟理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（報(bào)告） 附錄 1 附錄 2 元件清單（元件標(biāo)號是指在仿真圖中的元件的標(biāo)號） 元件標(biāo)號 U0 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U8 J1 J2 J3 S1 S2 A1 A2 D1 A0A 元件名稱 單片機(jī) 數(shù)據(jù)鎖存器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 程序存儲(chǔ)器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 或非門 非門 插座 插座 插座 按鍵開關(guān) 按鍵開關(guān) 穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管 二極管 功放管